1990年4月24日,发生了一件事永远地改变了人类对宇宙的看法。就在那一天,哈勃太空望远镜(HST)搭乘发现号航天飞机被送入太空。

哈勃太空望远镜是以美国天文学家先驱埃德温·哈勃(Edwin Hubble)的名字命名的。1924年,哈勃在南加州威尔逊山(Mount Wilson)的山顶使用巨大的100英寸胡克望远镜(Hooker Telescope)观测了银河系之外的许多星系,这些星系似乎都在互相远离。这些观察使他得出这样的结论:宇宙正在膨胀。

基于地球望远镜的问题是他们必须通过地球的大气层同行,这引入了巨大的扭曲和吸收某些波长的光,使得难以观察和分析它们。这是德国火箭科学家赫尔曼·奥伯斯和普林斯顿天体物理学家莱曼·斯皮策等前瞻性思想家,提出将望远镜放入太空,远高于地球的大气层。

这一概念的可行性在1966年至1972年间由美国宇航局发射了四种被称为轨道天文台(OAO)的仪器进行了测试。

与此同时,莱曼·斯皮策继续努力争取世界天文学家的支持,设计和建造一个大型的轨道太空望远镜。1969年,美国国家科学院批准了美国国家航空航天局(NASA)的大型太空望远镜(LST)计划,该计划将以直径3米(9.9英尺)的镜面为特色,这极大地推动了他的努力。

第一次维修任务纠正了望远镜的光学缺陷。(NASA)
当国会在1974年削减了对它的所有资助时,公众的强烈抗议和科学界的大规模游说努力促使参议院恢复了一半的资助。资金的减少意味着项目的规模和范围必须缩小。例如,镜子的尺寸从3米改到了2.4米(7.9英尺),为了系统验证,一个更小的原型望远镜(1.5米)被彻底废弃。1975年与欧洲航天局(ESA)建立了合作关系,后者同意承担项目15%到15%的成本,提供一种被称为模糊物体相机(FOC)的仪器,为望远镜提供能量所需的太阳能电池板,以及支持该项目的人力。作为回报,欧洲科学界得到了望远镜运行时间的15%的保证。

1977年,国会同意在1978年的预算中为该项目提供3600万美元,并终于进行工作。预期的发布日期为1983年。

在资金到位,美国宇航局套装关于构建项目。他们在亨茨维尔指定了马歇尔空间飞行中心(MSFC),以设计和建造新更名的太空望远镜(St),戈达德·太空飞行中心,MD,管理科学仪器并在推出望远镜后处理地面控制职责.反过来,MSFC雇用Perkin-Elmer公司制造光学望远镜组件,包括镜子,以及系统的精细引导传感器。建造望远镜机身和汇集仪器的合同被授予洛克希德导弹和太空公司(现在洛克希德马丁)。

在仪器前沿,戈达德招揽了科学界的提案,并从这些提案中选择了五个玻璃器皿:一个微弱的物体相机(Foc);广场/行星摄像头(WFPC);微弱的物体光谱仪(FOS);高分辨率光谱仪(HRS);和高速光度计(HSP)。

最初的工具

哈勃捕获的创作图像的标志性柱子。(NASA)
微弱的物体相机(Foc):由欧洲航天局建造的FOC是一种光学和紫外线仪器,其能够在紫外线到近红外线的广谱上捕获图像。FOC配备了两个单独的探测器系统。滤波进入光以隔离特定波长,然后将其传递到检测器以进行处理和记录。然后将该数据数字化以传输到地球,可以处理和分析它。它在122nm至550nm波长范围内操作。

广角行星相机(WFPC1):这款仪器由加州技术研究所提出的James Westphal和NASA的喷射推进实验室建造,由两个独立的相机组成,每个相机由德州仪器制造的四个800×800像素CCD组成。宽野摄像机旨在捕获远距离光源的全景视图,而行星相机旨在捕获更高的分辨率图像。它在115nm至1000nm波长范围内操作。

太空望远镜成像光谱仪(STIS)。(NASA)
微弱的物体光谱仪(FOS):由Martin Marietta建造的FOS,旨在分析HST聚集的光,以确定各种性质,如化学成分和数量,磁场,温度等。该仪器,它使用了一对二氧化碳红色和蓝色探测器可以以高分辨率或低分辨率模式操作,并且可以在近紫外线附近的广谱光谱中进行光谱观察到近红外线。它通常在115nm至850nm波长范围内操作。

高分辨率摄谱仪该仪器通常被称为戈达德高分辨率摄谱仪(GHRS),它是由鲍尔航空航天技术公司制造的,像FOS一样,它被设计用来分析入射光来确定物体的物理和化学性质。两者之间的主要区别是,GHRS严格关注1150 Angstrom (115 nm)到3200 Angstrom (320 nm)波长范围内的紫外光谱。

高速光度计(HSP): HSP是由一群来自空间天文实验室和空间科学与工程中心的科学家、工程师和学生在麦迪逊的威斯康星大学设计和建造的。虽然它长3' × 3' × 6',重600磅。这个仪器是独一无二的,因为它没有活动的部件。热sp被设计用来进行从近紫外到可见波长的非常高速的光度测量。它配备了4个析像管和23个精选的宽频和窄频滤波器,从1200埃到7500埃不等。它的孔径提供了三种不同的视场——0.4角秒、1.0角秒和10.8角秒——该仪器每秒能够进行多达100,000次测量。因为它没有可移动的部件,通过正确的滤光片和光圈来引导来自目标的辐射,这需要瞄准整个望远镜,这个过程可能需要30秒或更久。

超支和延误

技术人员准备更换的SI C&DH进行测试。(NASA)
珀金-埃尔默于1979年开始使用康宁公司(Corning Inc.)生产的一种特殊的低膨胀玻璃来制作这面至关重要的镜子。经过多次推迟,反射镜的工作终于在1981年底结束,迫使美国宇航局推迟了计划中的1983年发射日期。最后,在1985年,最近重新命名的哈勃太空望远镜(HST)准备发射。美国国家航空航天局将新的发射日期定在1986年10月,但在1986年1月28日,挑战者号航天飞机在起飞时解体,迫使美国国家航空航天局暂停所有航天飞机运行近三年,以调查事故原因。由于没有办法部署它,HST被投入了气候控制的存储,在那里NASA的工程师继续进行升级,包括改进的太阳能阵列和更复杂的计算机和通信系统。

航天飞机计划于1988年9月29日恢复了运营。1990年4月24日,航天飞机发现在使命STS-31上抬起,将HST进入太空。当此后不久开始测试新望远镜开始时,很快就会变得很明显,镜子里有一个缺陷,防止光学系统适当地聚焦。结果是图像,虽然比由地面望远镜产生的那些更清晰,但并不像它们的那样清晰。

这个问题是由不正确的镜面地面边缘引起的球差引起的。这使得从镜子边缘反射的光和从其中心反射的光聚焦在两个不同的点上。后来证实,罪魁祸首是用来测试这面镜子的精密仪器之一——零校正器。要么是组装不当,要么是使用不当,导致镜子的外边缘被磨平了2.2微米。幸运的是,我们有办法解决这个问题。

服务任务

SM1 (sts - 61)12月2日 - 1993年12月13日

更换广角相机和行星相机。(NASA)
1993年12月2日,奋进号航天飞机起飞,在HST上执行第一次维修任务。这次任务的主要目的是纠正由主镜球面像差引起的光学缺陷。

为了做到这一点,美国宇航局审查了一系列提案,最后确定了一项由鲍尔航空航天技术公司(Ball Aerospace & Technologies)光学工程师马克·波特马(Mark Bottema)博士提交的提案。Bottema建议安装一个装置,在暗物体摄谱仪、暗物体照相机和戈达德高分辨率摄谱仪前面放置一个不超过25美分硬币大小的小镜子。它被称为COSTAR(矫正光学空间望远镜轴向更换),基本上为HST的三个仪器做了眼镜对人眼的作用。最难的部分是在HST上为它找到空间。由于COSTAR的大小与HSP差不多,HSP是哈勃望远镜上使用最少的仪器,因此官员们决定进行转换。

官员决定用纠正光学器件的新单元以及其他增强功能替换它,而不是在WFPC上安装纠正视觉镜像,而不是安装纠正的视觉镜像,而是用新的单元更换它,以及包括更好的UV性能和更复杂的探测器的其他增强功能。宇航员还取代了HST的太阳阵列和相关电子设备,取代了陀螺仪和磁力计,并升级了车载计算机。

SM2 (sts - 82)1997年2月11日至21日

第二个哈勃维修任务涉及用仪器用名为空间望远镜成像光谱仪(STI)的仪器更换FOS,并用仪器代替称为近红外相机和多物体光谱仪(NicMOS)的仪器。

STIS是一个光谱仪和照相机的组合,设计用于覆盖从近红外到紫外波长的广谱光。它配备了特殊的二维探测器,能够收集“比以前的哈勃光谱仪多30倍的光谱数据和500倍的空间数据,”美国宇航局说。

第二个新仪器NicMOS是一种低温冷却仪器,包括三个摄像机,旨在同时操作并将它们的图像聚焦在同一平面中。遗憾的是,低温存储杜瓦的应力和变形问题阻碍了一个相机 - NIC3 - 从焦点上聚焦并产生散热器,其耗尽氮气冷却剂比预期更快。尽管存在这些问题,但NicMOS仍在近红外范围内提供了宇宙的宝贵图像。

SM3A (sts - 103)1999年12月19日至27日

第三次维修任务是在HST的6个陀螺仪中的3个出现故障后匆忙组装和执行的一次计划外紧急维修任务。1999年11月13日,第四架陀螺仪失灵,哈勃陷入了沉睡,将SM3一分为二的明智之举变得显而易见。在那一年的圣诞节,哈勃得到了六个新的陀螺仪,一个更强大的主计算机,另一个固态数据记录器,一个更复杂的FGS,电池系统改进,和更好的隔热。

SM3B (sts - 109)2002年3月1日至12日

SM3的下半部分在2002年3月举行。宇航员乘坐航天飞机哥伦比亚更换了霍布尔的原始乐器,一个名为Advanced Camera的新设备进行调查(ACS)。ACS采用大型探测器区域和三个摄像头,能够从紫外线到近红外线的波长。宽野摄像头配有16百万像素检测器,该探测器在350-1100nm光谱范围内旨在搜索返回宇宙最早的日期的星系。高分辨率摄像头(HRC)旨在将诸如星系,星簇和气态星云等物质的精细详细的高分辨率图像。太阳盲摄像机通过使用类似于STI中使用的多阳极微通道阵列(MAMA)来阻止可见光来增加其对紫外光的敏感性,特别是在1150至1700埃范围内。

ACS运转良好近5年,但从2006年年中开始,一系列的电气问题迫使NASA想出了各种创造性的变通办法,以保持仪器的运行。然而,在2007年1月,该装置的备用电源发生了短路,暂时导致了HRC的死亡。

除了安装ACS外,还安装了新的太阳能阵列,更换了哈勃的动力控制单元(PCU),用一个新的实验性低温冷却系统改造了NICMOS,使其恢复服务。

SM4 (sts - 125)2009年5月11 - 24日

最初定于2005年2月的最终哈勃维修任务,由于航天飞机哥伦比亚灾难之后,由于安全担忧可能没有发生。对哈勃的最后一个任务的风险与哈勃的风险有严重的辩论,但最终是由美国宇航局管理员迈克尔D. Griffin批准并安排在2008年10月。

2008年9月27日,就在计划发射的前几周,哈勃的主要数据处理单元,即科学仪器指挥和数据处理(SI C&DH)模块失败了。该模块与哈勃望远镜的数据管理单元一起,控制着哈勃望远镜收集到的所有科学和工程数据的处理、存储和通信。NASA的工程师成功地将哈勃转换为备用装置,并推迟SM4,直到新的SI C&DH模块可以准备好。

2009年5月11日,亚特兰蒂斯号航天飞机起飞,开始了HST的最后一次旅程。除了替换有故障的数据处理单元,机组人员还安装了两个新仪器:替换了WFPC2的宽视场相机3 (WFC3),以及他们安装在COSTAR以前占用的空间的宇宙起源光谱仪(COS)。此外,他们修复了STIS和ACS。这些维修对哈勃的任务至关重要,因为ACS和WFC3的设计是互补的,正如STIS和COS一样。WFC3在ACS通常覆盖的可见光谱上增加了紫外线和红外能力。COS增加了观察精确光源的能力,比如那些通常由恒星和类星体发出的光,而STIS的能力则是观察星系和星云等较大天体发出的广谱光。

此外,机组人员还替换了HST的所有6个镍氢(NiH)2安装了一个被称为软捕获和交会系统(SCRS)的设备,这将允许未来的载人或机器人任务在HST到达寿命结束时恢复它。

未来

没有人知道哈勃还会继续工作多久。NASA最初的预期寿命是15年,所以它已经超过了所有的预期。但没有什么是永恒的。了解到这一点,美国宇航局在1996年开始计划哈勃的继任者。最初被称为下一代太空望远镜(NGST),它在2002年正式改名为詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST),以纪念NASA的第二任局长。

JWST的设计目的是继续哈勃望远镜的工作,通过时间更深入地观察宇宙。哈勃望远镜的设计主要是在可见光和紫外光谱中工作,而JWST将主要在0.6到28微米的红外波长中工作。哈勃的仪器在红外光谱中所能做的最好的是0.8到2.5微米。

JWST也将拥有一个比哈勃大得多的主镜——6.5米vs. 2.4米——而哈勃在大约350英里的高度围绕地球运行,而JWST将在地球-太阳L2拉格朗日点围绕太阳运行。这将使JWST能够观测到宇宙中形成最早的恒星和星系。

哈勃的遗产

就像神话中的凤凰号一样,哈勃望远镜从一个可能是NASA最伟大成就之一的尴尬失败的灰烬中崛起。它对我们认识和理解宇宙的贡献是无价的。

例如,霍博尔收集的数据对宇宙扩展有助于天文学家计算其年龄约为137亿年。哈勃发现宇宙不仅是扩大的,它还确定了膨胀率最近开始加速,领先的天文学家想知道为什么。它是哈勃,也提供了令人信服的证据证明了超现代黑洞的存在,并给了天文学家至关如何形成行星的重要线索。

让我们不要忘记哈勃拍摄的数千张令人叹为观止的历史性照片,比如哈勃深场和标志性的创世之柱。

根据美国宇航局提供的数据,自1990年以来,哈勃望远镜已经对38000个天体进行了100多万次观测。它通常以每月844千兆字节的速度收集数据,这意味着在25年的职业生涯中,它为我们理解宇宙贡献了超过100兆兆字节的知识。以任何标准衡量,这都是绝对的成功。

想了解更多关于哈勃太空望远镜的信息,请访问www.nasa.gov哈勃


光子技术简报杂志yabovip16.com

本文首次发表于2015年3月号Photonics技yabovip16.com术简报杂志。

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